Figure 1 l'intensité croît et décroît progressivement ;figure 2

Transcription

1 La bobine Les bobinages jouent un très grand rôle en radioélectricité. Ce sont des enroulements de fil de cuivre nu, argenté, isolé avec de la soie, du plastique, de l'émail. 1. Mise en évidence de l'auto-induction. Avec l'oscilloscope. Réalisons le montage représenté figure 1. Le circuit est alimenté par un générateur BF (bassesfréquences) de signaux rectangulaires. La bobine comporte un noyau de fer. L'oscilloscope nous donne l'image de l'intensité dans le circuit.le signal observé sur l'écran n'est pas rectangulaire : Figure 1 l'intensité croît et décroît progressivement ;figure 2 Il y a un retard dans l'établissemnt du courant et aussi un retard dans sa décroissance. On peut penser que ce phénomène est dû à la présence de la bobine. Avec un néon Montage figure 2 Le circuit comporte une pile, une bobine à noyau et un néon. La lampe au néon ne comporte pas de filament et s'illumine en orange lorsqu'une tension suffisante apparaît à ses bornes. Fermons l'interrupteur : aucune observation. Ouvrons l'interrupteur : le néon brille d'un éclat net mais fugitif. Le courant ne peut pas venir de la pile puisqu'elle est déconnectée. Il vient donc de la bobine. Celle-ci a pour effet de retarder la disparition du courant dans le circuit. Figure 2 Figure 3 Interprétation Figure 4 Une spire conductrice est alimentée par un générateur. On peut faire varier I en déplaçant rapidement le curseur de R. Si l'on augmente I, on augmente l'intensité du champ magnétique produit par la spire. La spire étant plongée dans son propre champ magnétique et d'après la loi de Lenz ( revoir à Courant alternatif ) il y a création d'une induction qui tend à s'opposer à cette augmentation du champ. Un Figure 4 Figure 5 extra-courant de rupture courant induit apparaît et s'oppose au courant initial. La spire est donc en même temps circuit inducteur et circuit induit. On dit qu'il y a auto-induction ou self-induction. Si l'on diminue I le champ diminue et il se crée alors, par induction, un courant qui augmente, prolonge le courant initial. Cet effet est bien visible avec la néon : en ouvrant K on diminue I brusquement. Il se manifeste aussi dans le circuit ( R - bobine ) muni d'un interrupteur : une étincelle apparaît entre les contacts de l'interrupteur lorsqu'on ouvre le circuit. Ce courant qui se prolonge après

2 l'ouverture d'un circuit est appelé extra-courant de rupture (figure 5). L'effet très important de l'auto-induction en courant alternatif sera vu avec les circuits R L C. 2. Coefficient d'auto-induction L Une bobine parcourue par un courant produit un champ magnétique autour d'elle comme le fait un aimant.revoir les lignes de force de ce champ à "courant alternatif". Si le courant est alternatif il varie constamment.le champ magnétique varie donc aussi. Les spires de la bobine étant plongées dans ce champ sont coupées par un nombre variable de lignes de force. On dit que le "flux" varie comme varie le flux de la pluie sur l'entonnoir d'un pluviomètre. Plus le courant est intense plus le flux l'est aussi. Plus précisément le "flux" est proportion Figure 6 nel à l'intensité du courant. On écrit : flux = k * intensité. Le nombre k qui "multiplie " l'intensité traduit l'aptitude de la bobine à produire un champ magnétique. C'est son coefficient d'auto-induction ( ou de sef-induction) ou inductance Il est noté traditionnellement L. Il s'exprime en henrys ( H ). Le henry est donc l'unité de mesure d'inductance. Joseph Henry, physicien américain ( ), a découvert l'auto-induction. On utilise également : - le millihenry ( mh ) : 1 mh = 0,001 H = 10-3 H - le microhenry ( µh ) : 1 µh = 0, H = 10-6 H On peut calculer le coefficient d'auto-induction L d'une bobine à l'aide d'une formule. Pour une bobine à air, sans noyau, à une seule couche : L= N 2.D 2. K 100.l N = nombre de spires ; D = diamètre de la bobine en cm. µh l = longueur de la bobine en cm Le coefficient K est le facteur de Nagaoka.Il permet de tenir compte du rapport l / D selon le tableau suivant : l / D ,5 1 0,5 K 0,96 0,92 0,87 0,82 0,78 0,69 0,52 Finalement il faut savoir que L : - est proportionnel au carré du nombre N de spires. Ex : Si N triple L est multiplié par 3 2 = 9. - est proportionnel au carré du diamètre et donc à la surface S d'une spire. Ex Si S double L double. - est inversement proportionnel à la longueur l de la bobine. Ex Si l double L est divisé par 2. - dépend de la présence d'un noyau.

3 Paramètres dont dépend l'inductance d'une bobine ( on ne fait varier qu'un seul paramètre à la fois ) L gauche inférieur L droite Nombre de tours Section Longueur du bobinage Nature du noyau Figure 7 3. Energie d'auto-induction Lorsque le courant dans une bobine d'inductance L a atteint une valeur I, l'énergie emmagasinée est : W =1/2 L I 2 ( ne pas retenir ) J H A C'est l'énergie qu'il faut dépenser pour établir un champ magnétique grâce aux spires dans lesquelles on lance le courant. C'est l' énergie d'auto-induction. Elle est restituée lorsque le courant est coupé : expérience avec le néon. 4. Association de bobines a) Cas où il y a couplage Lorsque 2 bobines sont proches l'une de l'autre les lignes de force de leurs champs magnétiques se coupent. On dit que les bobines sont "couplées ". Le couplage peut être plus ou moins serré. Les 2 bobines présentent alors une "inductance mutuel - le ". C'est le cas des transformateurs très utilisés en BF et en HF. Ces calculs d'inductance ne seront pas étudiés. b ) Cas où il n'y a pas couplage. Pour éviter les couplages indésirables on éloigne les bobines, on les place à angle droit, on les sépare par des blindages, on les enferme dans des blindages en aluminium. Il n'y a pas alors d'inductance mutuelle et on trouve l'inductance résultante par des formules analogues à celles des résistors : Figure 8

4 Bobines en série : L=L1 L2 1 Bobines en parallèle : L = 1 L1 1 L2 Exemple 1 : L1 = 12 µh L2 = 20 µh En série : L = = 32 µh En parallèle : Sur la Lexibook : Taper 12 X X -1 = X -1 = 7,5 µh Exemple 2 : L1 = 1 mh L2 = 200 µh Convertir 1 mh en µh. On doit trouver : en série µh, en parallèle : 167 µh 5. Bobine en courant alternatif. a) Circuit RL série On utilise le circuit du paragraphe 1, Fig 9, le générateur délivant alors des signaux sinusoî - daux. On observe à l'oscilloscope les tensions aux bornes de R et de L, simultanément. Aux bornes de R on a aussi "l'image" de i dans le circuit puisque U R = R * i. Figure 9 b ) Déphasage Voir figure 10 qui n'est pas une photo d'écran. Les signaux observés sont sinusoïdaux mais déphasés. La courbe de U L est avant celle de i dans le sens de déplacement du spot Donc l'intensité est en retard sur la tension de 1/4 de pério de. Retenir : Pour une bobine l'intensité est en retard de phase de 90 sur la tension. c ) Réactance. Au paragraphe 1 la bobinr freine l'arrivée du courant et le prolonge lorsqu'il diminue. Ce comportement est du à la réactance. Celle-ci dépend de 2 facteurs : - plus L est grand, plus le champ magnétique produit par la bobine est grand, plus le courant s'établit difficilement et plus la réactance est grande. - plus la vitesse de variation du courant, la fréquence, est grande plus le champ varie brusquement et plus le courant est freiné, donc plus la réactance est grande. Le fait qu'une bobine prolonge le courant nous fait penser que ce composant, s'il est idéal,restituenl'énergie dépensée pour lancer le courant. Il ne consomme donc pas d'énergie. Sa réactance est désignée par X L. Elle se mesure en ohms. On démontre que la réactance d'une bobine est donnée par la formule : XL=2 pi f L A savoir

5 Ω Hz H Exemples Calculer la réactance d'une bobine de 20 µh à 20 MHz et à 100 MHz. 1er cas XL = 2 * pi * 20 EXP 6 * 20 EXP (-) 6 = ohms 2eme cas XL = 2 * pi * 100 EXP 6 * 20 EXP (-) 6 = ohms ; >>2 513 Retenir : Une bobine s'oppose à la haute fréquence d ) "Inversion" de la formule précédente X = (2 pi f) L Divisons par 2 pif des 2 côtés X = (2 pi L) f Divisons par 2 pil des 2 côtés X 2pi f L = d'où L= X X 2 pi f 2pif 2pif 2piL = 2pil f d'où f = X 2piL 2piL Pour retenir X 2 pi f L Exemples : A quelle fréquence une bobine de 10 µh a-t - elle une réactance de ohms Sur la Lexibook taper : ( 2 * pi *10 EXP (-) 6 ) = , 46 Hz Taper ENG Résultat 23, 873 *10 06 Hz ou 23, 873 MHz Quelle est l'inductance L d'une bobine dont la réactance est ohms à 14 MHz? Taper 1500 : (2*pi*14 EXP 6) = 0, H Taper ENG Résultat 17,05 *10-06 H = 17 µh e ) Q d'une bobine C'est le coefficient de qualité Par définition c'est le quotient de l'énergie emmagasinée par l'énergie perdue dans la bobine On a donc intérêt à avoir Q le plus grand possible. Or une bobine présente toujours une certaine résistance qui est à l'origine des pertes. Q= Xl 2 pi f L = r r X 2 pi L f Q sans unité, f en Hz, L en H L r r en ohms Exemple : Q d'une bobine de 15 µh, de résistance 20 ohms à 14 MHz? Xl = 2 *pi*14 EXP6 *15 EXP (-) 6 = ohms Q = 1319 / 20 = 66 En haute fréquence, le courant circule à la surface des conducteurs : c'est l'effet de peau. Ce phénomène augmente la résistance du conducteur et pour une bobine il provoque donc une diminution de Q. On peut pallier cet inconvénient en utilisant des tubes, du fil argenté,des noyaux qui augmentent L et demandent moins de spires, du fil de Litz (multibrin). Il y a cependant des pertes d'énergie dans les noyaux par effet Joule. 6. Remarques importantes sur les bobines

6 a ) un simple fil métallique présente une certaine inductance : c'est une spire de rayon infini. b ) la présence d'un noyau en ferrite réglable ( vis ) permet d'augmenter et d'ajuster l'inductance c ) l'espace entre 2 spires d'un bobinage joue le rôle d'un petit condensateur : c'est la capacité répartie. Elle est plus faible avec des spires espacées qu'avec des spires jointives. d ) on réalise aussi des bobinages sur des tores de ferrite. On obtient alors des inductances élevées avec peu de fil et donc une résistance moindre.les lignes de force sont dans le tore et il n'est pas nécessaire de blinder les bobines. e ) unre bobine présente toujours une certaine résistance voir paragraphe 5 e ). Quelques bobines Figure 11